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基于光頻率測量的超高精度小角度測量儀器和基準(zhǔn)裝置

文檔序號:40541328發(fā)布日期:2025-01-03 11:00閱讀:8來源:國知局
基于光頻率測量的超高精度小角度測量儀器和基準(zhǔn)裝置

本發(fā)明涉及小角度測量基準(zhǔn)裝置,特別涉及一種基于光頻率測量的超高精度小角度測量儀器和基準(zhǔn)裝置。


背景技術(shù):

1、小角度計量精度的提升對許多技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要,涉及科學(xué)研究、工程、制造、導(dǎo)航等多個技術(shù)應(yīng)用。在科學(xué)實驗和研究中,提升小角度計量精度可以幫助科學(xué)家更準(zhǔn)確地觀測和測量微小的角度變化,從而提高實驗的可靠性和準(zhǔn)確性。

2、在工程領(lǐng)域,如微機(jī)械系統(tǒng)(mems)、精密儀器和光學(xué)系統(tǒng)等,提高小角度計量的精度可以改善這些系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。目前,最常用的角度測量都是基于激光干涉法的原理(例如中國發(fā)明專利cn?104330054a、cn?1963384a、cn?102384730?b、cn?102506768?b公開的技術(shù)方案),即將角度的變化轉(zhuǎn)化為激光干涉條紋的變化,這類方法實現(xiàn)的小角度測量精度較低,已無法滿足對高精度計量需求。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的記載,目前實現(xiàn)的激光小角度基準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的最高精度為0.001″。然而,隨著科技的發(fā)展,如光刻機(jī)、激光雷達(dá)、精密機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用技術(shù)對小角度的高精度計量要求在不斷增加,進(jìn)一步提升小角度計量精度已成為這些高精技術(shù)應(yīng)用的要求。


技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是進(jìn)一步提高小角度測量的精度,提供一種將角度測量轉(zhuǎn)化為頻率測量的基于光頻率測量的超高精度小角度測量儀器和基準(zhǔn)裝置。

2、本發(fā)明的思路是利用窄帶干涉片激光器中激光頻率對窄帶干涉片角度的超高敏感性,將窄帶干涉片附著在被測對象上,通過檢測窄帶干涉片激光輸出頻率的變化,以期實現(xiàn)對被測裝置超高精度角度測量。由于目前激光頻率的測量精度最高已經(jīng)達(dá)到了10-18量級,相比現(xiàn)有技術(shù)中將角度轉(zhuǎn)換為激光波長所能夠獲得的測量分辨力,本發(fā)明期望將角度測量轉(zhuǎn)換為對激光頻率的測量,由于頻率測量的分辨力優(yōu)于波長測量的分辨力,因此將大幅提高小角度測量的分辨力,以期實現(xiàn)0.0001″甚至0.00000001″量級的精密測量。

3、為此,本發(fā)明提供一種基于光頻率測量的小角度測量基準(zhǔn)裝置,其中,所述裝置包括依序設(shè)置在光路上的激光發(fā)生裝置、窄帶干涉片3、反射鏡組和拍頻測量模塊,窄帶干涉片3固定在一高精密水平旋轉(zhuǎn)臺4上,所述激光發(fā)生裝置輸出的光經(jīng)過窄帶干涉片3后被濾除帶外光,得到窄帶光;所述窄帶光經(jīng)反射鏡組后返回到激光二極管,當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后,由所述反射鏡組輸出被測激光;所述被測激光輸入至所述拍頻測量模塊,所述拍頻測量模塊將被測激光與由光梳系統(tǒng)輸出的梳齒進(jìn)行拍頻得到拍頻頻率,當(dāng)高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(4)發(fā)生旋轉(zhuǎn)引起被測激光頻率變化δf時,則拍頻頻率的變化量等于δf。

4、其中,δf=f0-f1,f0為高精密水平旋轉(zhuǎn)臺位于初始位置時的被測激光頻率,f1為高精密水平旋轉(zhuǎn)臺發(fā)生旋轉(zhuǎn)后的被測激光頻率。

5、根據(jù)公式f=cλ-1,df=-cλ-2cλ,其中f是激光發(fā)生裝置的工作頻率,c是光速,λ是波長,窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度與被測激光波長λ存在線性關(guān)系k(nm/°),得知拍頻頻率變化量δf與窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系是:

6、

7、在本發(fā)明中,所述激光發(fā)生裝置是本領(lǐng)域的常規(guī)設(shè)置,通常包括依序設(shè)置在光路上的激光二極管1和第一準(zhǔn)直透鏡2。其中,激光二極管1的工作波段可以是任意波段,優(yōu)選地,從便于獲得或節(jié)約經(jīng)濟(jì)的角度考慮,可采用780nm波段激光二極管。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以選擇其他工作波長的激光二極管,如420nm、850nm、1550nm激光二極管等。

8、在本發(fā)明中,一種優(yōu)選的實施方式是反射鏡組包括設(shè)置在光路上的部分反射鏡7。優(yōu)選地,還可以在部分反射鏡7的前后分別設(shè)置聚焦透鏡6和第二準(zhǔn)直透鏡8。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)激光器設(shè)計原理,選擇性地增加/減少光學(xué)元件。

9、這樣,激光二極管1輸出的發(fā)散光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直為平行光,平行光經(jīng)過窄帶干涉片3后被濾除帶外光,得到窄帶光;該窄帶光經(jīng)聚焦透鏡6后到達(dá)部分反射鏡7,經(jīng)部分反射鏡7后得到與窄帶光共線反向的反射光;該反射光經(jīng)窄帶干涉片3后返回到激光二極管1,當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后,部分反射鏡7輸出激光,經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡8后得到輸出的被測激光。該被測激光經(jīng)反射鏡9反射后到達(dá)拍頻測量模塊,與光梳系統(tǒng)進(jìn)行拍頻比對,通過測量拍頻頻率的變化量δf可轉(zhuǎn)換成窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度θ的變化。

10、在本發(fā)明中,窄帶干涉片3的透射峰中心波長與激光二極管的波長匹配,例如當(dāng)采用780nm波段激光二極管時,窄帶干涉片3的透射峰中心波長為780nm。窄帶干涉片3被單方向順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)時,窄帶干涉片透射波長的中心頻率隨旋轉(zhuǎn)角度而變化。

11、作為一種優(yōu)選的實施方式,所述拍頻測量模塊包括設(shè)置在反射鏡9的反射光出射方向的第一半波片10、偏振分光棱鏡13、設(shè)置在偏振分光棱鏡13輸出光方向的寬帶探測器14和頻率計數(shù)器15;被測激光經(jīng)第一半波片10射入偏振分光棱鏡13后被全部反射,光梳系統(tǒng)發(fā)出的梳齒經(jīng)第二半波片12后入射偏振分光棱鏡,梳齒與被測激光合束后到達(dá)寬帶探測器14,寬帶探測器14連接到頻率計數(shù)器15,通過測量拍頻頻率的變化獲得窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度。

12、在本發(fā)明中,寬帶探測器、頻率計數(shù)器和光梳系統(tǒng)都屬于本領(lǐng)域的現(xiàn)有設(shè)備,例如采用50ghz的寬帶探測器。

13、作為一種替代的技術(shù)方案,可采用棱鏡型超強(qiáng)級反光膜71代替部分反射鏡7。當(dāng)采用這種技術(shù)方案時,可以將窄帶干涉片3粘接在棱鏡型超強(qiáng)級反光膜71上,提高系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性,且無需安裝聚焦透鏡6和第二準(zhǔn)直透鏡8。通常,具備高逆反射系數(shù)的棱鏡型超強(qiáng)級反光膜71都能實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案,例如采用中國發(fā)明專利申請cn?201410823342.3公開的微棱鏡型反光膜,該棱鏡型超強(qiáng)級反光膜設(shè)置在垂直于入射光的方向,在旋轉(zhuǎn)角度±20°范圍內(nèi)使入射光沿原路返回,均可實現(xiàn)腔內(nèi)振蕩輸出被測激光。本發(fā)明的高精密水平旋轉(zhuǎn)臺是可在商業(yè)購買獲得的產(chǎn)品,例如thorlabs公司銷售的小型旋轉(zhuǎn)位移臺(pdr1c)。

14、根據(jù)一種優(yōu)選的實施方式,本發(fā)明還包括超低膨脹率玻璃基座72,將激光二極管1、第一準(zhǔn)直透鏡2、窄帶干涉片3、高精密水平旋轉(zhuǎn)臺4、旋轉(zhuǎn)臺固定座5、聚焦透鏡6和部分反射鏡7固定在由超低膨脹率玻璃制造的基座上,可用于減小腔長抖動對被測激光自由運行時的頻率的影響,將激光頻率波動穩(wěn)定到hz量級,這種設(shè)置可以進(jìn)一步提高角度測量分辨力。由于第二準(zhǔn)直透鏡不干擾頻率穩(wěn)定性,所以第二準(zhǔn)直透鏡可以不放在超低膨脹率玻璃基座上。

15、在本發(fā)明中,超低膨脹率玻璃可采用如美國康寧公司銷售的超低膨脹玻璃(ule)。

16、另一方面,本發(fā)明還提供一種基于窄帶干涉片激光器的小角度測量方法,所述方法包括以下步驟:

17、(1)使激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過窄帶干涉片后得到窄帶光;所述窄帶光被部分反射鏡反射后返回到激光二極管,當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后,由所述部分反射鏡輸出被測激光;被測激光的初始波長為λ0,實時波長為λ;

18、(2)當(dāng)窄帶干涉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)時,繪制旋轉(zhuǎn)角度θ與λ的曲線,窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度θ與透射波長λ的表達(dá)式:

19、

20、λ0為干涉片與光束垂直時的透射波長,neff為窄帶干涉片的折射率;

21、由窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度θ與λ的表達(dá)式得到k,k為該曲線的斜率:

22、

23、(3)步驟(1)的被測激光輸入至拍頻測量模塊,由拍頻測量模塊將被測激光與由光梳系統(tǒng)輸出的梳齒進(jìn)行拍頻得到拍頻頻率;

24、(4)計算窄帶干涉片的旋轉(zhuǎn)角度θ(°),所述拍頻頻率的變化量δf與窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系是:

25、

26、在本發(fā)明中,k為旋轉(zhuǎn)角度θ與λ的曲線的斜率。當(dāng)θ在小范圍內(nèi)變化時k可視為常數(shù),例如,當(dāng)激光器初始波長為λ0=780nm,θ=20°處發(fā)生小角度旋轉(zhuǎn),當(dāng)窄帶干涉片在該范圍內(nèi)發(fā)生小角度變化時,k約為1nm/°。代入計算可得窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度θ與頻率變化量δf的關(guān)系為4.9×1011hz/°。

27、本發(fā)明的小角度測量基準(zhǔn)裝置采用窄帶干涉片進(jìn)行窄帶濾光,將激光二極管發(fā)出的寬帶光濾光成窄帶光束,在部分反射鏡的光反饋下,實現(xiàn)激光頻率對窄帶干涉片角度極其敏感的被測激光輸出。隨后,通過拍頻測量模塊測量被測激光與光梳的拍頻,從而將窄帶干涉片小角度的變化反映在被測激光與光梳拍頻頻率的變化上。

28、由于光梳頻率的穩(wěn)定度可以達(dá)到e-14量級,頻率波動為hz量級,而自由運行窄帶干涉片激光器的頻率波動在幾十khz量級,因此角度測量極限可以轉(zhuǎn)換成幾十khz的激光頻率測量,對應(yīng)的角度測量極限約為0.0001″。當(dāng)進(jìn)一步通過超低膨脹率玻璃基座將自由運行窄帶干涉片激光器的頻率波動穩(wěn)定在hz量級時,對應(yīng)的角度測量分辨率可實現(xiàn)約0.00000001″量級,實現(xiàn)小角度計量超高精度角度測量分辨力的大幅提升。

29、本發(fā)明利用基于窄帶干涉片激光器的小角度測量基準(zhǔn)裝置這種結(jié)構(gòu)和原理來實現(xiàn)角度測量極限為0.0001″量級的角度測量儀,可以應(yīng)用到mems、精密儀器和光學(xué)系統(tǒng)中,滿足這類高精密設(shè)備的應(yīng)用需求。

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